[发明专利]轴向平面磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副

说明书

技术领域

本发明是一种轴向平面磁场的少极差磁导谐波式磁性齿轮副，是利用少极差原理构建的磁导交变的谐波式磁性齿轮传动技术来实现高转速小力矩机械能与低转速大力矩机械能相互转换的变速传动装置，可直接取代常规的机械式谐波齿轮传动变速系统，广泛应用于工业机器人伺服驱动、风力发电、水力发电、电动汽车、船舰驱动及其它需要直接驱动的工业传动领域。

背景技术

在工业应用的许多传动领域往往需要实现低转速大力矩的机械能与高转速低力矩机械能的相互转换，比如：风力发电和水力发电领域需要将极低转速且可变的风能、水的势能转换成高转速的发电用机械动能，电动汽车和潜艇驱动领域又需要将原动机的高速机械功率变换成转速很低而力矩很大的机械功率，工业机器人、雷达跟踪系统及机床加工中心也大量使用的高精度伺服减速驱动机构。按现有常规的设计技术，极低转速和大力矩会使得电机体积庞大，增加电机单位千瓦数的材料消耗并使得工程量巨大；为此，现有公知的普遍方法是借助机械齿轮变速传动技术来实现低转速、大力矩的输出和恒功率调速范围的要求，长期以来少齿差齿轮传动技术和谐波齿轮传动技术是大减速比传动的首选，少齿差传动因偏心引发许多了自转输出机构的加工精度、噪声、效率、震动等一系列问题，而谐波传动又因为柔轮的交替变形的强度、刚度、疲劳而引出传动系统的可靠性和寿命挑战问题，传动力矩、功率和输入转速、传动效率一直难以提高。

中国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，大力发展稀土材料的应用有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁材料在电驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的各类电机产品，其单位体积材料传送的力矩密度大，能源利用效率高而能耗小，显示出其稀土材料巨大的优越性。近年来，随着风力发电、电动汽车等新能源应用领域的发展需求，国内外开始在新型磁性传动技术上实现对机械传动的技术突破，2004年英国和丹麦学者提出了磁场调制技术理论及其传动结构，并从实践上完成了一种新型径向磁场调制式磁性齿轮的设计及样机验证工作，克服了以往永磁齿轮传动扭矩较小的缺点, 这给永磁材料在机械传动领域的应用开辟了一个重要的研究方向和未来的应用领域。这种基于磁场调制技术的磁性齿轮结构有一个特点，即是采用磁场调制原理来对少极数的主动轮和多极数的从动轮的不同极数的永久磁场进行调制，具体在结构上的方法就是在主动轮和从动轮之间加设了一个具有定向定数的导磁栅铁芯做导磁极，从而有目的地隔离两个不同极数的传动轮。由于导磁栅铁芯的存在使得气隙磁阻与磁势交变脉动，导致转矩周期性波动，不仅影响传动精度，而且传动比越大导磁栅铁芯所受的机械转矩也越大，其结构强度也是影响其寿命的主要因素。因此，改进导磁栅铁芯的栅齿结构并减少栅齿数量是提高其机械强度和寿命的关键环节。

近期，本案发明人之一也提出过新型横向和径向磁场的少极差磁场耦合式偏心磁性齿轮副(201110277432.3、201120350893.4和201110355864.1、201120444409.4)，这种磁性齿轮副是利用两个传动轮副上的两种不同极数的永久磁场相互作用、相互耦合来达到传递力矩和变速传动的目的，但是这种少极差双永磁耦合变速的概念，由于其结构上必须采取偏心，再加稀土材料强大的永久磁场增加了轴承的径向、轴向负荷，而且由于偏心导致输出机构复杂、效率低下，工艺上也增加了加工和装配难度，更不能忍受的是偏心结构导致系统的刚性震动，难以适应减速机构的高转速运行，限制了其应用范围。截止目前为止国内外均还没有人提出过利用少极差原理并结合机械谐波齿轮传动技术原理来改进少极差磁性齿轮副的偏心结构，而这样的技术研究和结构发明对于工程应用具有重要的现实意义。

发明内容